DD136750B1 - Hochbelastbare werkstoffpaarung - Google Patents

Description

Titel der Erfindung Hochbelastbare Werkstoffpaarung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine hoch.belastbare Werkstoffpaarung, die bei Einzel- oder kombinierter Belastung von Bauelementen angewendet wird, die durch Reibungskräfte, Strömungskräfte und Kavitationswirkungen charakterisiert ist. Solche Belastungsfälle treten insbesondere in Armaturen und Pumpen auf, in denen enge Spalte als Funktionselemente, z.B. als berührungsfreie Dichtungen, als Drosselspalte oder Entlastungselemente," eingesetzt sind, wobei die auftretenden Belastungen durch die sich ausbildenden laminaren oder turbulenten Strömungszustände bestimmt werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Für den Einsatz von Bauelementen unter hoher Belastung durch Reibungskräfte, Strömungskräfte und Kavitationswirkungen, insbesondere in Armaturen und Pumpen" ist eine Vielzahl von Werkstoffpaarungen bekannt, die auf Teilgebieten brauchbare Lösungen darstellen.

Die bekannteste ist die Werkstoffpaarung Stahl - Bronze. Dabei werden gute Gleiteigenschaften erzielt, die auf dem Einsatz von Ferrit (Martensit) mit f" -Mischkristallgefüge beruhen. Nachteilig wirkt der geringe Abnutzungswiderstand der Bronze, der den erhöhten Verschleiß des Bauelementes bedingt.

Desweiteren ist eine Paarung Nitrierter Stahl mit Nitriertem Stahl bekannt. Diese Werkstoffpaarung gewährleistet gute Gleiteigenschaften auch noch bei hohen Temperaturen, Jedoch zeigt sie eine hohe Kantenempfindlichkeit, ist anfällig gegen Strömungsverschleiß und Kavitation und neigt zum Kaltverschweißen. Die Anfälligkeit gegen Kavitation ist bedingt durch die relativ hohe Sprödigkeit und geringe Stärke der Nitrierschicht, die dazu führen, daß schon nach verhältnismäßig kurzer Nutzungsdauer durch Verschleiß das Grundmaterial freigelegt wird, sodaß der Nitrierstahl die gleiche Kavitationsgefährdung wie gewöhnlicher C-Stahl aufweist. Es wurde bereits eine Werkstoffpaarung Stahl mit hartverchromtem Stahl dargestellt, die gute Gleitfähigkeit und geringe Verschleißanfälligkeit aufweist, jedoch auf Grund der Herausbildung von Lokalelementen verstärkt der Korrosion unterliegt. Die passivierende Wirkung von Chrom bezogen auf die Korrosion tritt nur bei Anwesenheitvon Sauerstoff ein. Beim Einsatz dieser Paarung in Armaturen, die beispielsweise von Speisewasser, das hochgradig entgast und deionisiert ist, durchflossen werden, bildet sich in den Lokale lementen das volle Potential entsprechend der·Spannungsreihe aus.

Bekannt ist auch eine Werkstoffpaarung Stahl mit Stahl mit SuIfоnitrierung, bei der das Bauteil jedoch beim SuIfonitrierprozeß auf Grund der hohen Badtemperatur von ca, 1000° C seine Grundhärte verliert.

Es wurden auch bereits fremdgeschmierte Werkstoffpaarungen dargestellt, die jedoch wegen der auftretenden hohen Betriebstemperatur und Strömungsgeschwindigkeiten in Armaturen nicht einsetzbar sind. Es treten Temperaturen bis zu 260° C auf bei einem Druckgefälle bis zu 325 kp/nm und Strömungsgeschwindigkeiten bis zu 80 m/s. Unter diesen Bedingungen sind flüssige· Schmierstoffe nicht in der Lage,

einen tragfähigen Schmierfilm auszubilden, da sie ständig abgewaschen werden, so daß eine dauernde Zuführung von ErsatzSchmierstoff notwendig wäre» FeststoffSchmiermittel, wie z.B. MoS₂ halten den Schmierfilm auch nur über die verhältnismäßig kurze Zeit der Einlaufperiode.

Weiterhin ist der Einsatz von Paarungen aus einem Werkstoff mit borierter Oberfläche und Metallcarbiden bekannt. Sie weisen eine große Häite und gute GIeiteigenschaften auf, jedoch sind die borierten Oberflächen infolge ihrer geringen Schichtdicke schnell verschlissen und müssen häufig erneuert werden.

Es wurde bereits ein Gleitpaar mit zwei sehr abriebfesten, metallischen Oberflächen dargestellt (DD-AP 107 075, O 22 с 19/02), dadurch gekennzeichnet,"daß eine dieser Oberflächen aus einer Legierung besteht, die folgende Hauptbestandteile aufweistj

Co oder Ш ~ 45,0 %

Cr - 17fO - 25,0 %

Mo - 20,0 - 42,0 %

Si - ^ 12,0 %

Bekannt ist auch ein Verfahren zur Herstellung von Absperrörganen (DE-OS 2 248 079, Ϊ 16 K 51/00), dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungйsitz" aus nichtrostendem Stahl, Monelmetall, Bronzelegierungen, Titan, Zirkon oder Kobaltlegierungen und das Gehäuse des Absperrorganes und/oder das Verschlußteil aus Kohlenstoffstahl, Gußeisen, Schwarzkern-Temperguß, Kugelgrafitgußeisen oder nichtrostendem Stahl bestehen.

Ziel der Erfindung;

Ziel der Erfindung ist eine hochbelastbare Werkstoffpaarung, die eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber

der Einwirkung von Reibungs- und Strömungskräften sowie Kavitationswirkungen, d.h. hohen Abrasions-Widerstand, hohen Widerstand gegen Kavitation, hohe Warmfestigkeit, gute Standfestigkeit, Schneidhaltigkeit und Kantenunempfindlichkeit verbunden mit hoher Widerstandsfähigkeit gegen Fremdkörper, guten Gleiteigenschaften Und totlaufe igenschaf ten, guter Benetzbarkeit und geringster Neigung zum Kalt sch weißen, aufweist, wobei beide Werkstoffe der Paarung einfach und kostengünstig herzustellen sind und gute Bedingungen für die Regenerierung von Bauteilen nach Verschbiß gewährleisten.

Darlegung des Wesens de'r Erfindung;

Der Erfindung liegt die Aufgabe der Entwicklung einer hochbelastbaren Werkstoffpaarung zugrunde, die eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber der Einwirkung von Reibungs- . und Strömungskräften sowie Kavitationswirkungen besitzt und für den Einsatz in engen Spalten als Funktionselemente in Armaturen und Pumpen mit Dicht-, Drossel- und Gleitfunktionen geeignet ist.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß jeweils ein Element der Werkstoffpaarung aus einem geschmiedeten ßtahl besteht, der anteilmäßig folgende Legierungselemente aufweist;

0 - 0,16 -0,24 % Si - max, 0,80 % Mn - max. 0,80 % Cr - 12,0 -14,0 %Fe - test

Um die notwendigen Eigenschaften für diesen Werkstoff zu erzielen, ist er einer speziellen Wärmebehandlung zu unterziehen. Dazu werden die Bauteile nach dem Schmiedeprozeß in einer'Zeit von 150 min. auf eine Temperatur von 780° C (+ 20° C) gebracht, diese Temperatur 120 min.

gehalten und das Teil anschließend im Ofen bis auf 200° C abgekühlt. Zum Vergüten wird das Werkstück in einer Zeit von 300 min. auf eine Temperatur von 1010° C (+ 20° C) erwärmt, diese Temperatur 60 min. gehalten und darauf im Oelbad abgekühlt. Das Anlassen des abgekühlten Bauteiles erfolgt durch Erwärmung auf Anlaßtemperatur von 600 - 650° C innerhalb von 90 min., die über eine Zeit von weiteren 90. min. gehalten wird und anschließend kühlt das Teil an der Luft ab.

Nach der mechanischen Bearbeitung wird das Werkstück zum Spannungsfreiglühen auf eine Temperatur von 550 - 580° C Sobracht, diese Temperatur 70 min. lang gehalten und anschließend wird im Ofen bis auf 200° C abgekühlt.

Nach dem Wärmebehandlungsprozeß weist das jeweilige Bauteil eine Brinellhärte von 280 - 320 kp/mm, einen Wärmedehnungskoeffizienten von 11,5 . 10 grd. "¹ und einen Elastizitätsmodul von 21 000 kp/mm auf.

Das zweite Element der Werkstoffpaarung besteht aus einer erschmolzenen und in Formen gegossenen bzw. durch Auftragsschweißung auf einen Grundkörper aus Stahl aufgebrachten Legierung, die anteilmäßig folgende Legierungselemente aufweist:

O - 1,2 %

Co - 65,0 %

W - 4,5 %

Or - 27,0 %

Diese Legierung besitzt von Hause aus eine Brinellhärte

von 380 - 410 kp/mm , einen Wärmedehnungskoeffizienten

—б —Л von 12 . 10" grd» " und einen Elastizitätsmodul von

20 600 kp/mm . Die unterschiedliche stoffliche Zusammensetzung der beiden Werkstoffe, ihre unterschiedliche Härte und ihr grundsätzlich verschiedener Gefügeaufbau,

der Schmiedestahl besitzt ein kubisch-raumzentriertes Gitter, die Legierung dagegen ist kubisch-flächenzentriert mit eingelagerten tf~ -Mischkristallen, führen dazu, daß die Werk st of fpaarung gute GIe it eigenschaften entwickelt und keine Neigung zum Kaltschweißen zeigt. Die für beide Werkstoffe beinahe identischen Werte für den Wärmedehnungskoeffizienten und den Elastizitätsmodul bedingen einen annähernd gleich großen Verschleißwiderstand, gleiche Zähigkeit und Warmfestigkeit sowie gleiche Korrosionsbeständigkeit und Kavitationswiderstand, d.h., der Verschleiß beider Partner einer Paarung ist annähernd gleich, groß, so daß beide Elemente einer Paarung gleichzeitig gewechselt bzw. regeneriert werden können. Die Möglichkeit der Auftragsschweißung der Legierung ermöglicht die Regenerierung von Bauteilen unter geringem technischen Aufwand.

Ferner zeigt eine Werkstoffpaarung gemäß der Erfindung ein gutes Einlaufverhalten, d.h. der Effekt der Glättung und Verdichtung der Oberfläche zur Erzielung einer harten Hochglanzpolitur ist besonders ausgeprägt.

Ausführungsbeispiel

Figur 1: Schnittdarstellung einer Schiebersteuerung, für die eine erfindungsgemäße Werkst of fpaarung eingesetzt ist

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.

Figur 1 zeigt eine Schiebersteuerung, für die eine erfindungsgemäße Werkstoffpaarung eingesetzt ist. Das Gehäuse ist ein Schmiedeteü, das aus einem Schmiedestahl besteht, der anteilmäßig folgende Legierungselemente aufweist»

σ - ο,2ο % Si - 0,60 %,„ Mn - 0,80 % Cr - 12,00 %

ft - test

An dem Steuerschieber 2, der aus einem üblichen Armaturenwerkstoff besteht, befinden sich die Dichtelemente 3, die durch Auftragsschweißen einer Legierung folgender Zusammensetzung gebildet wurden:

C - 1,2 %

Co - 65,0 %

W- 4,5 %

Cr- 27,0 %

Das Gehäuse 1 wurde entsprechend der erfinderischen Lösung wärmebehandelt. Die Oberflächen des Gehäuses 1 und der Dichtelemente Зэ <ü^e den Spalt 4 begrenzen, sind mechanisch so bearbeitet, daß sie eine Rauhtiefe bis maximal 0,010 mm aufweisen und die minimale Spaltdicke h = 0,050 mm beträgt. Zur Regenerierung nach Verschleiß wird die spaltbegrenzende Oberfläche des Gehäuses nachgeschliffen. Die spaltbildenden Dichtelemente 3 des Steuerschiebers Serden durch Auftragsschweißung mit der erfindungsgemäßen Legierung erhöht und durch nachfolgende mechanische Bearbeitung die ursprüngliche Spaltdicke h sowie die Rauhtiefe von maximal 0,010 mm erreicht.

Eine Schiebersteuerung unter Verwendung der erfindungsgemäßen, hochbelastbaren Werkstoffpaarung ist einsetzbar für flüssige Medien, Druckgefälle bis maximal 30 M Pa und Temperaturen bis zu 368° C (541° K) für Wasser.

Claims (1)

1. Erfindungsansprüche

   1. Hochbelastbare Werkstoffpaarung, insbesondere für enge Spalte als Funktionselemente in Armaturen und Pumpen mit Dicht-,"Drossel- und Gleitfunktionen, dadurch gekennzeichnet, daß «jeweils eines der spaltbildenden Elemente aus einem hochbelastbaren Werkstoff in Form eines geschmiedeten Stahles mit kübisch-raumzentrierter Gitterstruktur und das zweite spaltbildende Element aus einem hochbelastbaren Werkstoff in Form einer erschmolzenen und in Formen gegossenen bzw. durch Auftragsschweißung auf"einen Grundkörper aus Stahl aufgebrachten Legierung mit kubisch-flächenzentrierter Gitterstruktur besteht, wobei die mechanisch bearbeitete Oberfläche beider spaltbildender Elemente eine Eauhtiefe bis maximal 0,020 mm aufweisen darf und die minimale Spaltdicke 0,050 mm betragen soll.

   2, Hochbelastbare Werkstoffpaarung, insbesondere für enge Spalte als Funktionselemente in Pumpen und Armaturen nach Punkt 1., dadurch gekennzeichnet, daß der hochbelastbare Werkstoff in Form eines geschmiedeten Stahles anteilmäßig folgende Legierungselemente aufweist,

   C - 0,16 - 0,2A-. %
   Si - max. 0,80 %
   Mn - max. 0,80 %

   Or - 1,20 - 14,0 % Fe - Fest

   und nach entsprechender Wärmebehandlung eine Brine11-

   härte von 280 - 320 kp/mm , einen Warmedehnungskoeffi-

   6 1
   zienten von 11,5 · 10 grd« und einen Elestizi-

   p
   tätsmodul von 21 000 kp/mm besitzt.

   Hochbelastbare Werkstoffpaarung, insbesondere für enge Spalte als Funktionselemente in Armaturen und Pumpen nach Punkt 1· und 2., dadurch gekennzeichnet, daß der hochbelastbare Werkstoff in S'orm einer erschmolzenen und in Formen gegossenen bzw. durch Auftragsschweißung auf einen Grundkörper aus Stahl aufgebrachten Legierung anteilmäßig folgende Le gierungselemente aufweist,

   Co - 65,0 %

   W - 4,5 %

   Or - 27,0 %

   G - 1,2 JS,

   eine Brinellhärte von 330 - 410 kp/mm , einen Wärmedellnungskoeffizionten von 12 · 10 grd. und einen Elastizitätsmodul von 20 600 kp/mm besitzt·

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